单例模式实现及线程安全

 

 

 

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作者：程序员伟杰

 

 

前言

单例应用的太广泛，大家应该都用过，本文主要是想聊聊线程安全的单例以及反序列化破坏单例的情况。

1、概念

确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。

关键点：

1. 私有化构造函数

2. 通过一个静态方法或枚举返回单例类对象

3. 确保单例类的对象有且只有一个，尤其是多线程环境下

4. 确保单例类对象在反序列化时不会重新构建对象

2、实现

2.1、线程安全的单例

2.1.2、饿汉模式

饿汉模式：不管有没有调用getInstance方法，只要类加载了，我就给你new出来(a)

•  

public class A {
    private static final A a = new A();
    public static A getInstance() {        return a;    }
    private A() {}}

以下两点保证了以上代码的线程安全：

1. 调用一个类的静态方法的时候会触发类的加载（如果类没加载过）

2. 类只会加载（被加载到虚拟机内存的过程，包括5个阶段）一次

3. static变量在类初始化的时候（类加载过程的最后一个阶段）会去赋值静态变量

2.1.2、懒汉模式

懒汉模式：延迟加载，用到再去new

•  

public class B {    private static volatile B b;
    public static synchronized B getInstance() {        if (b == null) {            b = new B();        }        return b;    }
    private B() { }}

要保证线程安全，最简单的方式是加同步锁。synchroized保证了多个线程串行的去调用getInstance(),既然是串行，那就不会存在什么线程安全问题了。但是这实现，每次读都要加锁，其实我们想要做的只是让他写（new）的时候加锁。

2.1.3、Double Check Lock (DCL)

•  

public class B {    private static volatile B b;
    public static synchronized B getInstance0() {        if (b == null) {            synchronized (B.class) {                b = new B();            }        }        return b;    }
    public static B getInstance() {        if (b == null) {            synchronized (B.class) {                if (b == null) {                    b = new B();                }            }        }        return b;    }
    private B() { }}

为了解决懒汉模式的效率问题，我们改造成getInstance0()： 但还有个问题 X、Y 两个线程同时进入if (b == null), X先进同步代码块，new了一个B，返回。Y等到X释放锁之后，它也进了同步代码块，也会new一个B。

getInstance0()解决了效率问题，但它不是线程安全的。我们有进行了一次改造： getInstance()：

getInstance在同步块里面，又做了一次if (b == null)的判断，确保了Y线程不会再new B，保证了线程安全。

getInstance() 也正是所谓的双重检查锁定（double checked locking）。

这里还有一个关键点：private static volatile B b; b是用volatile修饰的。 这个主要是因为new 并不是原子的。

•  

B b = new B();

可以简单的分解成一下步骤

1. 分配对象内存

2. 初始化对象

3. 设置引用指向分配的内存地址

2，3 直接可能发生指令重排序，就是说对象还未初始化完成，就让b指向了一块内存地址，这时候b就不是null了。

2.1.4、静态内部类单例模式

•  

public class C {    private C() {}
    public static C getInstance() {        return CHolder.c;    }
    private static class CHolder {        private static final C c = new C();    }}

静态内部类的线程安全也是由jvm保证的，在调用Cholder.c的时候，去加载CHolder类，new 了一个c。

总的来说，这个方式比DCL还是高点的，因为DCL加了volatile，效率上还是略微有些些影响。

上面介绍的3种线程安全的单例，在有种极端的情况，单例模式有可能被破坏：反序列化

• Java序列化就是指把Java对象转换为字节序列的过程

• Java反序列化就是指把字节序列恢复为Java对象的过程。

反序列化的时候，会重新构造一个对象，破坏单例模式。我们看下代码验证下：

•  

public class C1 implements Serializable {    private C1() {        System.out.println("构造方法");    }
    public static C1 getInstance() {        return CHolder.c;    }
    private static class CHolder {        private static final C1 c = new C1();    }// 注意这块被注释的代码//    private Object readResolve(){//        System.out.println("read resolve");//        return CHolder.c;//    }
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException, InvocationTargetException, InstantiationException {        C1 c = C1.getInstance();        System.out.println(c.toString());        try {            ObjectOutputStream o = new ObjectOutputStream(                    new FileOutputStream("d:/tmp/c.out"));            o.writeObject(c);            o.close();        } catch(Exception e) {            e.printStackTrace();        }
        C1 c1 = null, c2 = null;
        try {            ObjectInputStream in =new ObjectInputStream(                    new FileInputStream("d:/tmp/c.out"));            c1 = (C1)in.readObject();            in.close();        } catch(Exception e) {            e.printStackTrace();        }
        try {            ObjectInputStream in =new ObjectInputStream(                    new FileInputStream("d:/tmp/c.out"));            c2 = (C1)in.readObject();            in.close();        } catch(Exception e) {            e.printStackTrace();        }
        System.out.println("c1.equals(c2) : " + c1.equals(c2));        System.out.println("c1 == c2 : " + (c1 == c2));        System.out.println(c1);        System.out.println(c2);    }}

结果：

构造方法

•  

[e-mail](c2) : falsec1 == c2 : [e-mail].C1@45ee12a7

放开注释的代码

构造方法

•  

me.hhy.designpattern.singletonpattern.C1@1540e19dread resolveread resolvec1.equals(c2) : truec1 == c2 : [e-mail].C1@1540e19d

正如我们看到的那样，加上readResolve就解决了反序列化单例被破坏的问题。

当然，如果没实现Serializable接口，也就不会有这个被破坏的问题… 还是看场景。

关于readResolve的介绍，感兴趣的同学们可以看java.io.ObjectInputStream#readUnshared方法上的注释（博主看了，看得不是很明白，一知半解，就不误人子弟了）

而我们下面要介绍的枚举单例，并不会有这个问题。

2.1.5、枚举单例

•  

public enum  DEnum {
    INSTANCE;
    private D d;
    DEnum() {        d = new D();    }
    public D getInstance() {        return d;    }}

•  

public class D {}

复制代码

线程安全的保证：

• 枚举只能拥有私有的构造器

• 枚举类实际上是一个继承Enum的一个final类

• 上面的INSTANCE实际是被static final 修饰的

序列化不破坏单例的保证：

在序列化的时候Java仅仅是将枚举对象的name属性输出到结果中，反序列化的时候则是通过java.lang.Enum的valueOf方法来根据名字查找枚举对象。同时，编译器是不允许任何对这种序列化机制的定制的，因此禁用了writeObject、readObject、readObjectNoData、writeReplace和readResolve等方法。

2.2 线程不安全的单例

2.2.1、懒汉模式

不过多介绍了，这个其实在线程安全的单例部分，我们介绍的比较详细了。

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public class B {    private static volatile B b;
    public static B getInstance() {        if (b == null) {            b = new B();        }        return b;    }
    private B() { }}

3. 总结

单例的应用实在是太多了，也没必要再去找源码种的经典使用（因为基本上大家用过）。

枚举单例构造方法还是public，并不是防止外部直接去new它。个人认为如果一个类要开放给外部使用，用内部类的形式实现单例是最合适的。